Фундаментальные взаимодействия

     Конечно, численные значения l_Pl и t_Pl очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это означает только то, что квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы сравнимыми с планковскими величинами.

     Отличительной чертой явлений микромира является то обстоятельство, что физические величины оказываются подверженными  так называемым квантовым флуктуациям. Это означает, что при многократных измерениях физической величины в определенном состоянии принципиально должны получаться различные численные  значения, обусловленные неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым  объектом. Вспомним, что гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с геометрией пространства-времени. Поэтому следует ожидать, что на временах порядка t_Pl и расстояниях порядка l_Pl геометрия пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно-временной геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.

     Последовательная  квантовая теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно малых значений l_Pl , t_Pl следует ожидать, что в любом обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной? Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв. Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его размеры могут стать сравнимыми с l_Pl , где классическая теория уже неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был сравним с t_Pl и она имела размеры порядка l_Pl. Это означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с привлечением квантовой теории гравитации.

Слабое  взаимодействие

     Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в  распадах элементарных частиц, где  принципиально существенными являются квантовые эффекты. Вспомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

     Типичный  пример слабого взаимодействия - это  бета-распад нейтрона

     n

     где n - нейтрон, p - протон, e^- - электрон, _e - электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона на протон p и отрицательно заряженный пион . По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.

     Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется  константой связи Ферми G_F. Константа G_F размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона m_p. Тогда безразмерная константа связи будет

     G_Fm_p² ~ 10^-5.

     Видно, что слабое взаимодействие гораздо  интенсивнее гравитационного.

     Слабое  взаимодействие в отличие от гравитационного  является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между  частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит  некоторую величину, называемую характерным  радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10^-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

     Почему  можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных  взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что  существуют три качественно различных  взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных  видов радиоактивности: -, - и -радиоактивных распадов. При этом -распад обусловлен сильным взаимодействием, -распад - электромагнитным. Оставшийся -распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

     Хотя  слабое взаимодействие существенно  сосредоточено внутри ядра, оно имеет  определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано  с процессом  -радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

     Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется  очевидным, что разница между  понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

     Несохранение  четности в слабых взаимодействиях  выглядело настолько необычным  свойством, что практически сразу  после его открытия теоретики  предприняли попытки показать, что  на самом деле существует полная симметрия  между левым и правым, только она  имеет более глубокий смысл, чем  это ранее считалось. Зеркальное отражение должно сопровождаться заменой  частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C ), и тогда все фундаментальные  взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что  эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы  , , запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP-неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.

     Вопрос  о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания  удалось достичь сравнительно недавно  в рамках объединенной теории электрослабых  взаимодействий - теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые - и Z₀-бозоны. Это заряженные и нейтральная Z₀ элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 m_p.

Электромагнитное  взаимодействие

     В электромагнитном взаимодействии участвуют  все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается  заряд электрона e.

     Если  рассмотреть два покоящихся точечных заряда q₁ и q₂, то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами.

     Классические  проявления электромагнитного взаимодействия хорошо известны, и мы не будем на них останавливаться. С точки  зрения квантовой теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная частица фотон - безмассовый бозон со спином 1. Квантовое  электромагнитное взаимодействие между  зарядами условно изображается следующим  образом:

     Заряженная  частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон  и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как  бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический  заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу  связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные  постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

     α= e²/

     Легко заметить, что данная константа значительно  превышает константы гравитационного  и слабого взаимодействий.

     С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого  электрослабого взаимодействия. Создана  объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая  с единых позиций все аспекты  электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного  взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия? ¶

     Пока  характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в  единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения  оценивается по порядку величины как 10² ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 10⁹ эВ, 1 эВ = 1.6 10^-12 эрг = 1.6 10¹⁹ Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10^-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10^-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10^-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Сильное взаимодействие

     Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные  ядра большинства химических элементов  стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения. ¶

     Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные  силы притяжения между протонами, между  нейтронами и между протоном и  нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных  взаимодействий протон и нейтрон  неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица  ядра.

     Характерный масштаб сильного взаимодействия можно  проиллюстрировать рассмотрев два  покоящихся нуклона. Теория приводит к  потенциальной энергии их взаимодействия в виде потенциала Юкавы 

     где величина r₀ 10^-13  см и совпадает по порядку величины с характерным размером ядра, g - константа связи сильного взаимодействия. Это соотношение показывает, что сильное взаимодействие является короткодействующим и по существу полностью сосредоточено на расстояниях, не превышающих характерного размера ядра. При r > r₀ оно практически исчезает. Известным макроскопическим проявлением сильного взаимодействия служит эффект α-радиоактивности. Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.